LUMIERE, OPTIQUE ET IMAGES

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1 Licence Sciences et Technologies MISMI (Mathématiques, Informatique, Sciences de la Matière et de l Ingénieur) UE Physique et Ingénieries LUMIERE, OPTIQUE ET IMAGES Série B J.M. Huré 1

2 Série B Cours 10 séances groupes B1 à B5 : J.M. Huré Travaux Dirigés 9 séances semaines 40 à 43 incluse, et semaines 45 à 49 incluse B1 et B5 : Y. Matea B2 : P. Gravereau B4 : Y. Louyer Travaux Pratiques 3 séances 1 Panorama de l Optique (réflexion, réfraction, diffraction, interférences, polarisation) 2 Analyse spectrale et dispersion (sources lumineuses, prisme et arc en ciel) 3 Systèmes imageurs (focométrie, microscope, œil) Devoirs Surveillés 2 semaine 44 (DS1) et semaine 49 (DS2) 2

3 COURS Partie 1 Qu est ce que la lumière? Les différents modèles et leurs limites. Partie 2 Les lois fondamentales de l optique géométrique. Les systèmes imageurs simples. Partie 3 La percéption des images. Les systèmes imageurs complexes. a) L œil et la vision b) L observation des petits objets (microscopie classique et moderne) c) L observation des objets lointains (lunettes et télescopes) 3

4 Partie 3 La perception des images Les systèmes imageurs complexes L'oeil et la vision 4

5 Remarques 50% de la population mondiale voit mal 62% de la population française porte des lunettes Importance de la compréhension de la vision : processus optique, traitement de l information Importance de la recherche fondamentale : chirurgie, thérapie génique, prothèses... 5

6 Les différents constituants de l œil muscles ciliaires (diaphragme) fovéa Indice n=1,333 tache aveugle Indice n=1,336 (lentille convergente) (cônes &bâtonnets) 6

7 Les différents constituants de l œil (2) cornée, cristallin, humeurs : milieux transparents de l œil (n) en bonne approx. : œil = lentille mince + écran (rétine) (L), O, foyers F et F, focale f L ensemble lentille rétine forme l œil réduit distance lentille rétine fixe ( OA ) vision nette d'un objet image rétiniène NB fovéa (tache jaune) riche en cellules photosensibles conditions de Gauss (objet au voisinage de l axe optique) 7

8 Accomodation vision nette d'un objet image rétiniène quelque soit la position de l objet? A + cristallin rétine O A = OA OA f distance focale f du cristallin variable Accomodation : mécanisme de changement de f muscles ciliaires (action sur la courbure du cristallin). 8

9 Accomodation (2) pas d accommodation (œil au repos) : vision nette à une distance D M (distance maximale de vision distincte). PR : punctum remotum (i.e. AO=D M, A PR) accommodation maximale : vision nette à une distance D m (distance minimale de vision distincte) PP : punctum proximum (i.e. AO=D m, A PP) œil normal : PR à l infini, PP à 20 cm de O PR (infini) vision nette : zone de vision distincte PR 20 cm vision floue 9

10 Equation de la vision Objet A situé à la distance D = AO >0 accomodation : f change A + cristallin rétine O A = ; = C ; OA = = constante OA OA f f K C 1 D = K NB quand A se rapproche de l oeil, D implique C (soit f ) 10

11 Equation de la vision (2) Œil au repos : C = C 0 D = D M C 0 1 D M = K Accommodation maximale : C = C 0 + C D = D m C 0 + C 1 D m = K Amplitude dioptrique : C C = 1 D m 1 D M NB une dioptrie δ = 1 m 1 11

12 Equation de la vision (3) Œil normal (ou emmétrope) PR à l infini : D M = donc C 0 = K au repos (F sur la rétine) PP à environ 20 cm : D m = 0.20m amplitude dioptrique normale C = 5δ + A à l infini cristallin rétine O A = F 1 ΔC = = 5δ D m 12

13 Défauts et corrections 4 défauts majeurs de la vision : myopie hypermétropie presbytie Astigmatisme traitements classiques : lunettes ou lentilles, chirurgie NB association de lentille théorème des vergences 13

14 La myopie œil trop convergent + cristallin rétine (ou trop profond; F devant la rétine) A à l infini O F PR à distance finie (objets lointains flous) f = OF < OA donc C > K 1 C0 - = K DM > 0 et fini D M PP à moins de 20 cm : C 0 + C 1 D m = K 0 Comme C 0 > K, C 1 D m < 0 C < 1 D m 14

15 La myopie (correction) Ajout d une lentille de vergence C 1 : PR corrigé rejeté à l infini On veut : C 0 + C 1 = K Sachant : C 0 1 D M = K Il suffit que : C 1 = 1 D M < 0 lentille divergente de distance focale f 1 = D M 15

16 La myopie (correction) Oeil corrigé : au repos C 0 + C 1 = K donc D M c = PR corrigé à l infini Oeil corrigé : acommodation maximale C 0 + C 1 + C 1 c = K donc C = 1 c D m D m PP corrigé à distance normale Autre solution: la chirurgie («rabotage» de la cornée ou pose d implant). 16

17 L hypermétropie œil pas assez convergent + cristallin rétine (ou trop court; F derrière la rétine) A à l infini O F PR virtuel (objets proches flous) f = OF > OA donc C < K 1 C0 - = K DM < 0 D M 0 PP à plus de 20 cm : 1 C 0 + ΔC =K D m 1 1 Comme C 0 < K, ΔC > 0 Δ C > D D m m 17

18 L hypermétropie (correction) Ajouter une lentille de vergence C 1 : PR corrigé à l infini. On veut : C 0 + C 1 = K Comme C 0 1 D M = K Il suffit que : C 1 = 1 D M > 0 une lentille convergente de distance focale f 1 = D M 18

19 L hypermétropie (correction) Oeil corrigé : au repos C 0 + C 1 = K donc D M c = PR corrigé à l infini Oeil corrigé : acommodation maximale C 0 + C 1 + C 1 D m c = K donc C = 1 D m c PP corrigé à distance normale 19

20 La presbytie Avec l âge: affaiblissement des muscles ciliaires et perte d élasticité du cristallin l amplitude dioptrique C diminue Le PR reste à l infini mais le PP s éloigne progressivement. 1 C = donc quand C diminue, Dm augmente D m correction : verres convergents («demi lunes») pour la vision de près 20

21 L astigmatisme cornée non parfaitement sphérique pas de mise au point simultanée possible sur des lignes vert. et horizontales Correction? difficile lentilles cylindriques orientées pour corriger les distorsions dans toutes les directions. 21

22 Test d astigmatisme Placez vous à 5 m de ce dessin. Si la couleur noire est différente suivant les orientations, vous êtes astigmates! 22

23 Pouvoir séparateur et pouvoir de résolution Mise en évidence : exemple de la mire de Foucault α D Si la distance D devient trop grande alternance de bandes sombres et claires indiscernable 23

24 Pouvoir séparateur et pouvoir de résolution (2) pouvoir séparateur ε : distance angulaire minimale permettant de séparer visuellement 2 points de l objet (acuité visuelle : 1/ε) lié à la distance angulaire entre 2 cellules de la rétine. B A α D cristallin A B α AB D rétine A et B soient résolus : α > ε 4 Pour un œil normal, ε 3.10 à rad ou 1 correspond à une pièce de 1 vue à 76 m 24

25 Pouvoir séparateur et pouvoir de résolution (3) Le pouvoir de résolution AB min est la plus petite distance entre 2 points résolus par l œil. AB est minimale quand l objet est au PP et vu sous un angle ε : AB min = D m ε 4 PP à 20cm : AB min 0,20 x 3.10 =60 µm 25

26 Sensibilité Seuil de sensibilité : au dessous, aucune impulsion nerveuse transmise. NB une cellule sensible de la rétine peut réagir à un seul photon Il faut 5 à 9 photons en moins de 100 ms pour engendrer un signal transmis au cerveau ( filtres neuronaux). Le seuil dépend de la longueur d onde (lié aux propriétés de filtre des constituants de l œil) Cornée opaque si λ < 300 nm Cristallin opaque si λ < 380 nm Absorption par l eau si λ > 1200 nm 26

27 Vision des couleurs Deux types de cellules photosensibles sur la rétine : les bâtonnets pour la vision (noir et blanc) et nocturne, plus sensibles dans le vert (500nm) les cônes pour la vision des couleurs (pigments) et la vision diurne λ maximale d absorption 445 nm 535 nm 575 nm Sensibilité maximale autour de nm 27

28 Traitements de l information Processus neurologique complexe à l aide de différentes aires visuelles situées dans le cortex Reconstruction de l image nécessaire par le cerveau : micro mouvements de l œil, tache aveugle, inversion de l image et vision tridimensionnelle Parfois le cerveau «dérape» : illusions d optique... 28

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31 Conclusions La vision est un processus complexe : optique, neurologique Elle est donc sensible au moindre «défaut» Ceci implique la mise au point de techniques de correction Nouvelles techniques : Rectification du rayon de courbure de la cornée au laser Remplacement du cristallin (cataracte) par un implant après fragmentation aux ultra sons Thérapie génique Greffes de prothèses sur le système nerveux (rétine artificielle) 31

32 Rétine artificielle 32